Simulation und konstruktive Optimierung der Wärmeübertrager regenerativer Gaskreisprozesse

Die Gruppe der regenerativen Gaskreisprozesse, zu denen Stirlingmotoren oder Vuilleumier-Wärmepumpen zählen, basiert auf einer thermischen Verdichtung des Arbeitsgases als gemeinsames Wirkprinzip.

Das Simulationsmodell zur Ermittlung der Energie- und Masseströme bestimmt durch simultanes Lösen der zugrunde liegenden Erhaltungsgleichungen das gekoppelte thermische Verhalten der Wärmeübertrager und Zylinderräume. Insbesondere die Berechnung des Regeneratoreinbaus, als leistungsstärkstes Element, kommt dabei nahezu ohne aufprägende Randbedingungen aus. Die für die Optimierung notwendige periodisch-stationäre Lösung wird mit dem Modell unmittelbar erhalten, so dass die Notwendigkeit des Einpendelns hin zu wiederkehrenden Zuständen entfällt.

Die optimale Baugröße der Wärmeübertrager wird schließlich mit dem Ziel der maximalen Nutzleistung der Anlage bestimmt. Auf Basis einer entropischen Prozessbewertung wird der dabei vorhandene Totraum immer optimal genutzt. Es werden Kennfelder für den Regenerator und dimensionslose Kennzahlen zur ersten Bewertung und Berechnung der thermischen Apparate entwickelt und hergeleitet. Für die praktische Anwendung werden spezielle Diagramme für die optimale Detail-Geometrie der Wärmeübertrager vorgestellt.